科学瞎想系列之六十一 说说噪声

标准答案

原创 2017-12-13 龙行天下 龙行天下CSIEM

  上节课老师说了振动，振动和噪声是不可分割的孪生兄弟，振动在介质中传播就形成声波，声波传到宝宝们的耳朵里就形成了噪声（也有说噪音的）。今天老师就给宝宝们说说噪声。
  1 嘛叫噪声。按说噪声是一个纯物理学（声学）的东东，在声学里定义噪声就是乱七八糟的声音，是物体做无规则振动时发出的声音，它仅取决于声波的客观物理参数。但现实生活中，声音毕竟是靠宝宝们的耳朵来听的，而宝宝们的耳朵对各种声波的反应却不仅仅取决于声波的物理特性，还取决于宝宝们复杂的生理结构和生理反应。比如：有些频率的声音宝宝们是听不到的；有时描述噪声的物理参数增大一倍而宝宝们的听觉却没有感觉大一倍等等。因此在生理学上定义的噪声与物理学上定义的噪声是有所区别的。在生理学上凡是宝宝们听了心烦的，妨碍宝宝们正常休息、生活和工作的声音，以及对宝宝们要听的声音产生干扰的声音统统都是噪声。从这个意义上来说，噪声的来源很多。街道上的汽车声、安静的图书馆里的说话声、建筑工地的机器声、以及邻居电视机过大的声音，都是噪声。
  2 用什么表征噪声。既然噪声是一种乱七八糟的声音，那么如何来描述噪声呢？从纯物理的角度来讲主要用声波的频率、波长、声压、声强、声功率等参数来描述。刚才说了，由于宝宝们的耳朵所感受到的声音除了与声波物理量的实际值有关还与宝宝们的生理结构有关，因此从生理学角度通常用声级或分贝值来描述噪声的强弱。关于频率、波长之类的物理量宝宝们都很熟悉了，老师重点说说声压、声强、声功率及声级或分贝值的概念。
  2.1 声压。宝宝们知道，声波在空气中是一种纵波，即当声波在空气中传播时，空气的压强会比无声波时有所变化，空气压强时大时小，宝宝们的耳膜感受到这种压力变化后就听到了声音。我们把声波引起的这种气压变化称为声压，由于声压是随时间波动的，我们把某点在某一瞬时的声压值称为瞬时声压；把瞬时声压中的最大值称为峰值声压（也称巅值声压）；把瞬时声压在一定时间内的方均根值称为有效值声压。我们平常说的声压，通常就是指有效值声压。即：
  P＝〔(1/T)•∫p2(t)dt〕^½
  其中T为积分时间；p(t)为瞬时声压。
  正常宝宝们的小耳朵对1000Hz的纯音（按正弦变化的声音）很敏感，因而我们就在该频率下说事，在该频率下宝宝们能听到的最低声压叫做听阈（yù）声压（注意不是“阀”，没文化的宝宝才这么念！），听阈声压为P0＝2×10^-5Pa。随着声压的增大，宝宝们会感觉到声音增大，直到增大到宝宝们要崩溃，对宝宝们的耳朵产生机理性损害的最大声压称为痛阈声压，这个痛阈声压为20Pa。
  2.2 声强。声音的传播总是伴随着能量的传播，因此可以用某点垂直于声音传播方向上单位面积所传出的声功率来表征该点声音的强弱，这就是声强。即：
  I＝P2/ρc
  其中ρ为介质密度；c为声速；ρc称为介质的特性阻抗。与声压阈值对应的听阈声强为I0＝10^-12W/m2；痛阈声强为1W/m2。
  2.3 声功率。以上物理量都是反映某一点噪声的强弱，反映整个声源发出噪声的大小常用声功率来描述。声功率就是声源在单位时间内辐射出的总的声能量。即：
  W＝∮IdS
  其中I为声强；S为围绕声源的闭合传播面积。相应的听阈声功率W0为10^-12W，痛阈声功率为1W。
2.4 声级和分贝值。前面说的都是反映噪声固有特性的物理量，但宝宝们的耳朵都是肉长的，有很大的阻尼作用，对这些客观物理量的感觉并不是线性的，也就是说那些物理量增大一倍，宝宝们的耳朵并不是感觉大了一倍，而是成对数衰减的感觉，即声压（声强或声功率）大10倍，我们的耳朵才感觉大一倍；声压大100倍，耳朵感觉大二倍，以此类推。为此我们就引出了一个声级的概念。所谓声级就是以听阈值为基准，实际噪声值（声强或声功率）与其听阈值相对倍数的对数再乘以10叫做声级，用分贝（dB）表示，由于声功率正比于声压的平方，因此如果用声压表示声级时应该是那个对数的20倍。即：
  Lp＝20lg(P/P0)
  Li＝10lg(I/I0)
  Lw＝10lg(W/W0)
  我们耳朵的听阈声级为0dB，痛阈声级为120dB。
  2.5 响度级。前面说了，宝宝们的小耳朵都是肉长的，它不仅对传来的声音具有阻尼作用，还会挑肥拣瘦，即使同样的声级，频率不同其感受也是不同的，通常我们的耳朵对高频声波比较敏感，对低频声波感觉就迟钝一些，这就是为什么宝宝们一听到美女的声音就那么激动万分。既然我们耳朵对不同频率的声波感受不一样，我们就可以把不同声级不同频率但听起来响度一样的声波连成一条线，这条线叫做等响度曲线。定义：以1000Hz的纯音为基准纯音，若某一噪声听起来和某声级基准纯音一样响，那么我们就称这个基准纯音的声压级就是该噪声的响度级，用LN表示，其单位叫Phon（方）。根据以上定义，科学家们对成千上万个宝宝们的小耳朵进行了无数次的实验测试和统计，终于绘出了声压级和响度级的关系曲线——等响度曲线（如下图）。

      其中最下面的一条(LN＝0Phon)是人耳能听到的最小临界值，称之为听阈限等响度线；上面(LN＝120Phon)的一条是痛阈限等响度线。二者之间的就是正常宝宝们所能听到的全部声音的响度级。从等响度曲线可以看出，宝宝们的耳朵对3～5kHz的高频声音最敏感，而对的50Hz以下的低频声压很不敏感。
  宝宝们能听到的频率范围为20～20000Hz，低于20Hz的声波再强也被我们的耳朵过滤掉了，根本听不见，我们把这些声波称为次声波；频率高于20000Hz的声波，宝宝们的耳朵同样把它过滤掉了，也听不见，我们把它称为超声波。值得一提的是，虽然宝宝们听不到次声波和超声波，不代表其他阿猫阿狗的听不到！也不代表那些声波没有用或没有害。比如蝙蝠就是靠超声波来探测障碍物的距离，用耳朵充当眼睛的。超声波和次声波有时对我们也很有用，平常我们用的B超就是利用超声波来检查宝宝们身体的；潜艇在水下的通讯声纳就是用次声波来传递信息的。我们还可以用人听不到，但对骚扰我们的小动物（如蟑螂、老鼠）却极其敏感的声波来让它们心烦直至崩溃。
  3 噪声怎么测。老师知道宝宝们大多是搞电机的，因此老师就重点说说电机的噪声测试问题，关于电机噪声的测试及限值，国家出了一个标准，就是GB10069《旋转电机噪声测定方法及限值》，里面详细规定了各种电机噪声测试的方法、安装条件、测试环境、测试仪器以及数据处理和限值。需要特别得瑟一下的是，这个标准老师也是主要起草人之一！牛X不！关于标准的详细内容老师这里不多啰嗦，免得宝宝们又嫌太长烦人。老师就捡重点说说，详细的自己看标准。


  3.1 声级计。声级计是噪声测试的基本仪器，声级计由传声器、放大器、衰减器、计权网络、对数计算等部分组成，其它部分功能就不说了，只说说“计权网络”是个神马鬼。前面说了，宝宝们的耳朵具有挑肥拣瘦的功能，对自己“喜欢频率”的声音很敏感，对“不喜欢”频率的声音就大幅过滤，为了使测得的声音与宝宝们耳朵听到的感觉一致，于是就模拟宝宝耳朵的挑肥拣瘦特性，用电路做了一个能给各种频率声音“打分乘系数”的东东，宝宝们喜欢的频率打系数高，不喜欢的系数低，分别打完分后再想加，这样就模拟出了宝宝们耳朵听到的声音响度，这个打分乘系数的东东就是计权网络。按宝宝们耳朵打分的叫A计权网络，简称A计权；除此之外还有按阿猫阿狗耳朵打分的网络（如B计权、C计权等），那些玩意除了像老师这样的大牛人和专门搞噪声分析的人用，一般宝宝们用不着，就不多说了。
  3.2 测试环境。噪声测试时所处的声学环境对测试结果影响很大，同一台电机在不同的声学环境下可以得出不同的测试结果，因此必须规定测试声学环境，所谓声学环境是指噪声测试场所的声场类别，分以下几种：
  ①自由场。声波可以无反射地向任何方向自由传播的声场叫自由场。自由场一般只有在消声室内才能实现。
  ②半自由场。只有一个反射面上的自由场称半自由场。通常是指半消声室或室外硬地平面上无任何反射物的无限大空旷场地。
  ③混响场。对稳定的声波能形成多次充分反射叠加的声场。
  电机噪声测试时，有条件最好是在消声室内进行，但大多数场合这是不现实的，工程上通常是在试验站、大车间之类的场所进行噪声测试，它类似只有一个反射面上的自由场，它即不属于半自由场也不属于混响场，属于类似半自由场条件下测试，因此测试结果必须进行反射影响的修正。这种类似半自由场应该符合以下条件，一是地面必须是坚硬、平坦的反射面，且面积要足够大，必须大于被测电机测量面投影面，各边超出不小于1米，地面吸声系数不大于0.06；二是测试区内应无妨碍声扩散的任何障碍物，如果有离被测电机较近的墙壁等反射面，也可以在其表面挂一下吸声材料（如棉被、海绵板之类）防止形成声反射。
  篇幅所限，关于噪声测试老师就强调这些，有关测试方法、背景噪声修正、电机安装、运行条件等要求，标准里都有详细规定，老师就不啰嗦了！
通过两篇的瞎想，老师给宝宝们科普了一下振动和噪声的基本知识。关于电机的振动和噪声与电机设计、电机制造那些因素有关，各种振动、噪声源的特征以及如何在电机及其系统设计时减振降噪，那是高年级宝宝电机设计的课程，老师会在以后的瞎想中慢慢地说。敬请期待吧！

drger

学习了，那平常我们说的声功率级和声压级有个什么关系呢？比如大约差多少？

xiaoping28

老师讲学好风趣，学习了。
老师能再说说，如果分析电机噪音问题，应该测哪项（声压？声功率? ...），而对于电机使用者，也就是客户来说，又测哪一项比较好？
那如果说，吵的电机会振，两者在频率上应该有对应关系，而且振的电机不一定吵，那就是声音没被激起来了。
也不知我的理解对不对，请老师答惑。谢谢

lili1306

电机的瞬时工况怎么测噪声

鬼马善变

试验时电机噪声超标了，降低电压，噪声明显减小，判断是电磁噪声。老师，目前这种电机状况，电磁噪声有什么办法降低吗？